Warum Krebszellen so viel Energie verschwenden

In den 1920er Jahren machte der deutsche Chemiker Otto Warburg die Entdeckung, dass Zucker von Krebszellen nicht so verstoffwechselt wird, wie das bei gesunden Zellen normalerweise der Fall ist. Seitdem haben Wissenschaftler versucht herauszufinden, warum Krebszellen diesen alternativen, viel weniger effizienten, Weg nutzen. Biologen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nun eine mögliche Antwort auf diese langjährige Frage gefunden.

In einer Studie zeigten sie, dass dieser als Fermentation bekannte Stoffwechselweg den Zellen hilft, große Mengen eines Moleküls namens NAD+ zu regenerieren. Dieses Molekül brauchen die Zellen zur Synthese von DNA und anderen wichtigen Molekülen. Die Ergebnisse der Biologen erklären auch, warum zum Beispiel Immunzellen ebenfalls auf Fermentation umstellen.

Ineffizienter Stoffwechsel

Die Fermentation ist eine Möglichkeit, mit der Zellen die im Zucker enthaltene Energie in ATP umwandeln können. ATP ist eine Chemikalie, mit der Zellen Energie für alle ihre Bedürfnisse speichern. Normalerweise bauen Säugetierzellen Zucker jedoch mithilfe eines Prozesses ab, der als aerobe Atmung bezeichnet wird und viel mehr ATP liefert. Zellen schalten in der Regel nur dann auf Fermentation um, wenn ihnen nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, um eine aerobe Atmung durchzuführen.

Seit Warburgs Entdeckung haben Wissenschaftler viele Theorien aufgestellt, warum Krebszellen auf den ineffizienten Fermentationsweg umschalten, anstatt die aerobe Atmung zu nutzen.

Grundsätzlich tritt die aerobe Atmung in Mitochondrien auf. Warburg schlug ursprünglich vor, dass die Mitochondrien von Krebszellen eventuell beschädigt werden könnten, was sich jedoch als nicht zutreffend herausstellte. Andere Erklärungen haben sich auf die möglichen Vorteile einer anderen ATP-Produktion konzentriert, aber keine dieser Theorien fand eine breite Unterstützung.

Neue Studie mit möglicher Lösung

In dieser Studie beschloss das MIT-Team, eine Lösung zu finden. Die Biologen stellten sich die Frage, was passieren würde, wenn die Fähigkeit der Krebszellen zur Fermentation unterdrückt werden würde. Dazu behandelten sie die Zellen mit einem Medikament, das diese dazu zwingt, ein Molekül namens Pyruvat vom Fermentationsweg in den aeroben Atmungsweg umzuleiten.
Zu sehen war, dass die Blockierung der Fermentation das Wachstum von Krebszellen verlangsamt. So weit, so gut, denn diese Information war vorher schon bekannt. Dann versuchten sie herauszufinden, wie die Proliferationsfähigkeit der Zellen wiederhergestellt werden kann, während die Fermentation weiterhin blockiert wird. Ein Ansatz beinhaltete den Versuch, die Zellen zur Produktion von NAD + zu stimulieren. Bei NAD+ handelt es sich um ein Molekül, das den Zellen hilft, die zusätzlichen Elektronen zu entsorgen, die entstehen, wenn Zellen Moleküle wie DNA und Proteine ​​herstellen.

Was passierte, als die Forscher die Zellen mit einem Medikament behandelten, das die NAD+ -Produktion stimuliert?

Bei dem Versuch stellten sie fest, dass sich die Zellen schnell wieder vermehrten, obwohl sie immer noch keine Fermentation durchführen konnten. Das führte die Forscher zu der Theorie, dass Zellen, wenn sie schnell wachsen, mehr NAD+ benötigen als ATP. Während der aeroben Atmung produzieren die Zellen viel ATP und etwas NAD+.

Wenn Zellen mehr ATP anhäufen, als sie verwenden können, verlangsamen sich die Atmung und die Produktion von NAD+ gleichermaßen.

Die Hypothese besagte demnach, dass wenn NAD+ und ATP hergestellt werden, aber ATP nicht entfernt werden kann, das gesamte System so gesichert wird, dass auch kein NAD+ mehr hergestellt werden kann. Die Umstellung von aerober Atmung auf Fermentation hilft demnach, mehr NAD+ herzustellen, damit die Zellen schneller wachsen können.

Das Paradoxon lösen

Die Forscher testeten diese Idee in anderen Arten sich schnell vermehrender Zellen, einschließlich Immunzellen. Dabei stellten sie fest, dass die Blockierung der Fermentation, aber die Ermöglichung alternativer Methoden der NAD+ -Produktion es den Zellen ermöglichte, sich weiterhin schnell zu teilen. Nicht alle Zellen stellen auf die weniger produktive Methode um. Es geht nur um die Zellen, die sehr schnell wachsen. Und da gehören Krebszellen leider dazu. Wenn Zellen so schnell wachsen, dass ihre Nachfrage nach Material die Menge an ATP übersteigt, die sie verbrennen, dann wechseln sie in diese Art von Stoffwechsel.

Die Ergebnisse legen nahe, dass Medikamente, die Krebszellen dazu zwingen würden, wieder auf aerobe Atmung anstatt auf Fermentation umzusteigen, eine Möglichkeit zur Behandlung von Tumoren bieten könnten. Medikamente, die die NAD+ -Produktion hemmen würden, könnten sich laut den Forschern ebenfalls positiv auswirken.